Jądrowy napęd pulsacyjny – Projekt Orion

Alternatywne do chemicznego napędy rakietowe
Jądrowy napęd pulsacyjny – Projekt Orion
Napęd pulsacyjny w swoich założeniach pozwalał na wykorzystanie energii jądrowej do
napędu pojazdów kosmicznych przy minimalnych nakładach projektowych. Projekt zakładał
napędzanie pojazdu przez bomby atomowe wyrzucane z rufy pojazdu i detonowane w pewnej
odległości za statkiem. Otaczająca bombę woda lub wosk (możliwe byłoby również
zgromadzenie całej substancji napędowej w obrębie bomby) w chwili detonacji tworzyłyby
wysokoenergetyczną plazmę, która uderzając w płytę na rufie pojazdu popychałaby go
naprzód.
System zakładał wyposażenie pojazdu w potężne dwustopniowe mechaniczne amortyzatory,
oraz umieszczone na samej płycie poduszki powietrzne, które rozkładałaby w czasie
wynikające z powtarzających się uderzeń plazmy, trwające milisekundy, ruchy płyty, na
trwające sekundy ruchy pojazdu, ograniczając przeciążenia do możliwych do zniesienia przez
konstrukcję pojazdu oraz pasażerów (zakładane 1 – 3G). Na podstawie konstrukcji
atomowych zapalników do ładunków termojądrowych (konstrukcja bomby termojądrowej
typu Ulama – Tellera) opracowano koncepcję atomowych ładunków napędowych, w których
ładunek termojądrowy zastąpiono by warstwą boru, lub polietylenu, otoczonymi odpowiednio
ukształtowanym opakowaniem z wolframu.
W trakcie eksplozji ładunku rozszczepialnego opakowanie to ogniskowałoby strumień
neutronów i promieniowania X – w odróżnieniu jednak od bomby typu Ulama – Tellera nie
na ładunku termojądrowym, lecz na ww. warstwie polietylenu lub boru – powstałaby w ten
sposób wysokotemperaturowa plazma o kształcie cygara która po przebyciu kilkudziesięciu
metrów rozprężyłaby się i ostygła do ok. 14 tys. stopni C. Po uderzeniu w płytę napędową
następowałaby gwałtowna (ok. 0,3 milisekundy) rekompresja plazmy i wzrost jej temperatury
do ok. 40 tys. stopni C. Przy tak wysokich temperaturach plazma emituje głównie
promieniowanie ultrafioletowe, które słabo przenika przez samą plazmę oraz materiał tarczy,
co tłumaczy dlaczego tarcza nie ulegałaby stopieniu ani wyparowaniu (potwierdziły to
eksperymenty Plumbbomb, oraz eksperymenty ze stalowymi kulami umieszczanymi w
odległości kilkudziesięciu metrów od eksplodujących ładunków jądrowych – kule
znajdowano nienaruszone – patrz poniżej). Płyta napędowa mogłaby być wykonana ze
zwykłej stali lub nawet aluminium. Obliczono że po każdej eksplozji wyparowałoby jedynie
ok. 1 mm powierzchni płyty. Jeden z mózgów programu – genialny fizyk i matematyk
Freeman Dyson obliczył jednak, że zetknięcie plazmy z materiałem parującym z płyty
napędowej mogłoby powodować powstanie turbulencji, które niebezpiecznie rozgrzałyby
płytę (efekt konwekcji) w związku z tym na płytę natryskiwano by ww. wosk, olej, grafitowy
smar lub wodę – chodzi o to, że węgiel lub wodór zawarte w ww. substancjach bardzo silnie
pochłaniają promienie ultrafioletowe, co wyeliminowałoby parowanie płyty.
Jedna eksplozja w dalszej części lotu międzyplanetarnego to około cztery bomby zrzucone na
Nagasaki.
Kolejny problem stanowiło szybkie umieszczenie ładunków kilkadziesiąt metrów od płyty (w
początkowej fazie lotu ok. 4 ładunki na sekundę) – rozwiązano by go po prostu poprzez
1
zastosowanie działa wystrzeliwującego ładunki przez otwór w płycie – pod pojazd (w latach
50. skonstruowano jądrowe pociski artyleryjskie). Początkowo obawy budziło niezbyt
precyzyjne umieszczanie ładunków pod płytą – obawiano się braku stabilności lotu, jednak
Freeman Dyson obliczył, że przy większej liczbie ładunków wynikające z tego odchylenia
lotu uśredniają i znoszą się (potwierdził to stabilny lot modelu pojazdu napędzanego
chemicznymi ładunkami wybuchowymi – na wysokość 180 m).
W projekcie uderza prostota zastosowanych rozwiązań, solidność konstrukcji, zastosowanie
zwykłego aluminium i stali w odróżnieniu od supermateriałów stosowanych w klasycznych
pojazdach kosmicznych (projektanci jako wykonawcę projektu rekomendowali firmę
ElectricBoat Company zajmującą się budową okrętów podwodnych), niemożliwe przy innych
systemach napędowych osiąganie jednocześnie wysokiej siły ciągu i wysokiej wydajności
napędu, oraz wynikające z natury jądrowych ładunków wybuchowych (im silniejsze tym
wydajniejsze) wzrost wydajności konstrukcji, oraz prostoty jej wykonania – w miarę wzrostu
wymiarów pojazdu. Obliczono, że zarówno dla pojazdu o masie 2000 ton (wersja
międzyplanetarna) jak i Super-Oriona o masie 8.000.000 ton (wersja międzygwiezdna
napędzana ładunkami termojądrowymi – mogąca osiągnąć 10% prędkości światła) różnica
kosztu jądrowych ładunków napędowych nie byłaby zbyt duża. Ze względu na olbrzymią
masę i ładowność pojazdów (wersja międzyplanetarna mogłaby odbywać podróże w tę i z
powrotem z ładunkiem użytecznym stanowiącym ok. 50% masy własnej – w porównaniu
rakiety chemiczne ok. 5% – w jedną stronę i 5% z tych 5% z powrotem) pomimo wysokiej
ceny jądrowych ładunków napędowych (większość kosztów realizacji programu Orion) –
koszt wyniesienia kilograma ładunku (w przeliczeniu na ceny z 2005 r.) na niską orbitę
okołoziemską stanowiłby kilka- kilkadziesiąt dolarów dla wersji międzyplanetarnej i ok. 30
centów dla Super Oriona (w porównaniu do kilku- kilkudziesięciu tysięcy dolarów dla
chemicznego napędu rakietowego).
Ze względu na zanieczyszczenie radiologiczne wywoływane przez serię eksplozji jądrowych,
starty odbywałyby się z istniejących poligonów jądrowych. Jako że większość odpadów
radioaktywnych związane jest z zasysaniem i napromieniowaniem pyłu z powierzchni ziemi
przez kulę ognistą wybuchu jądrowego start odbywałby się z wysokich na kilkadziesiąt
metrów wież. Podczas startu pojazd napędzałyby odpalane co sekundę bomby o mocy 0,1
kilotony. Wraz ze wzrostem prędkości i wysokości zastąpiłyby je odpalane znacznie rzadziej
ładunki o mocy 20 kiloton. Innymi rozwiązaniami tego problemu byłby start z wyłożonej
stalą i grafitem niecki (minimalizacja cyrkulacji powietrza)lub oceanicznej platformy
startowej. Dalszą redukcję zanieczyszczenia atmosfery można by osiągnąć stosując start z
okolic polarnych (naładowane radioaktywne cząstki uciekłyby w przestrzeń kosmiczną przez
dziurę w magnetosferze) lub stosowanie w trakcie wznoszenia czystych ładunków
atomowych (np. o typie bomby neutronowej – ok. tysiąckrotna redukcja zanieczyszczeń). Jak
podkreślają zwolennicy tego typu napędu byłoby to znacznie mniej niż napromieniowanie
atmosfery przez emisję radioaktywnych popiołów z elektrowni opalanych węglem – do
produkcji paliwa dla jednego startu wahadłowca.
Historia programu
W trzy lata po opublikowaniu opracowania Ulama i Everetta firma General Atomics
rozpoczęła prace nad zastosowaniem napędu pulsacyjnego w lotach kosmicznych.
Programowi, kierowanemu przez dwóch fizyków – Theodora Taylora i Freemana Dysona,
nadano kryptonim Orion. Program miał stanowić bezpośrednią konkurencję dla
opracowywanych przez zespół von Brauna nośnych rakiet chemicznych – twórcy programu
2
Orion wierzyli, że ich program pozwoliłby na wyniesienie na orbitę tysięcy ton ładunku przy
kosztach porównywalnych ze znacznie mniej efektywnymi rakietami chemicznymi. Kres
programowi położyły nie problemy techniczne, lecz brak woli politycznej, oraz traktat o
zakazie testów jądrowych na ziemi, w powietrzu i w przestrzeni kosmicznej z 1963 r. (w
trakcie negocjacji pojawiły się trudności odnośnie porozumienia z ZSRR co do definicji
próby jądrowej) – jego kuriozalne w niektórych miejscach sformułowania np. jako
uzasadnienie – obawa przed zanieczyszczeniem promieniowaniem próżni kosmicznej
(wypełnionej przecież radioaktywnymi cząstkami promieniowania kosmicznego,
promieniowaniem X i gamma z rozbłysków słonecznych, i z łatwością rozpraszającej każdą
ilość substancji – poprzez swój bezmiar – o czym wiedzieli nawet ówcześni specjaliści
(obliczono że produkty eksplozji nuklearnej w kosmosie zostaną np. wymiecione poza układ
słoneczny przez cząstki wiatru słonecznego) pozwalają podejrzewać że chodziło o coś innego
niż szczytna troska o środowisko. Ostatnio jednak pojawiają się spekulacje, że ze względu na
prostotę i niezwykłą atrakcyjność projektu (pozwala na ekonomiczną eksploatację zasobów
układu słonecznego), jest tylko kwestią czasu kiedy zrealizuje go jakieś państwo/państwa
posiadające broń jądrową, które nie podpisały ww. traktatu (Chiny, Indie, Pakistan).
Testy
Koncepcja programu Orion była częściowo oparta na wynikach testów przeprowadzanych
podczas wczesnych prób bomb atomowych na poligonie Eniwetok. Podczas testów stalowe
kule pokryte powłoką grafitową zawieszano 30 stóp (ok. 9 metrów) nad centrum eksplozji
jądrowej. Kule znajdowano w nienaruszonym stanie z częściowo odparowaną powłoką
grafitu.
W ramach programu Orion wybudowano serię modeli mających przetestować czy
aluminiowa płyta jest w stanie przetrwać wysokie temperatury i ciśnienie spowodowane
odpaleniem w jej pobliżu konwencjonalnych materiałów wybuchowych. Po kilku nieudanych
próbach udało się przeprowadzić stabilny lot – urządzenie osiągnęło maksymalną wysokość
100 metrów.
Jedyną weryfikację możliwości wykorzystania bomb jądrowych do wynoszenia ładunków na
orbitę zapewnił wypadek podczas serii testów ograniczania zasięgu eksplozji jądrowych w
ramach programu Operation Plumbbob. W 1957 roku bomba jądrowa niskiej mocy
spowodowała wyrzucenie 900-kilogramowej stalowej pokrywy. Obliczenia wskazują, że
płyta osiągnęła prędkość co najmniej dwukrotnie większą od prędkości ucieczki (według
innych obliczeń – nawet sześciokrotnie większą). Najprawdopodobniej nie opuściła jednak
ziemskiej atmosfery i wyparowała na skutek tarcia.
3
Żagiel słoneczno-magnetyczny
Hipotetyczna metoda napędu statków kosmicznych, która będzie używać statycznego pola
magnetycznego do odwrócenia naładowanych cząstek emitowanych przez Słońce jako wiatr
plazmowy (słoneczny), a przy tym nadawać impuls do przyspieszania statków kosmicznych.
Żagiel magnetyczny mógłby także wykorzystywać magnetosferyczną siłę ciągu planety bądź
Słońca.
Zasady działania i budowa
Wiatr słoneczny jest nikłym strumieniem cząstek wypływających ze Słońca. W pobliżu orbity
Ziemi, zawiera kilka milionów protonów i elektronów na metr sześcienny, osiągającą średnią
prędkość od 400 do 600 km/s w pobliżu Ziemi. Magnetyczny żagiel wprowadza pole
magnetyczne wewnątrz przepływu plazmy, prostopadle do ruchu naładowanych cząstek, które
mogą odwrócić cząstki z ich pierwotnej trajektorii. Pęd cząstki jest następnie przenoszona do
żagla, co prowadzi do nacisku na żagiel, wskutek czego satelita zaczyna być wprawiana w
ruch. Jedną z zalet magnetycznych czy słonecznych żagli nad napędami chemicznymi jest to,
że nie mają one problemu związanego ze zużyciem lub wyczerpaniem paliwa reakcyjnego.W
typowej konstrukcji żagla magnetycznego, pole magnetyczne generowane jest przez pętlę z
nadprzewodzącego drutu.Do podróży w wietrze słonecznym w odległości 1 jednostki
astronomicznej, natężenie pola wymaga do oparcia się ciśnieniu dynamicznemu wiatru
słonecznego wynoszącemu 50 nT. Minimalna waga takiej cewki jest ograniczona przez
wytrzymałość materiału oszacowaną na około 40 ton, generującą nacisk o sile 70N. Siła ciągu
żagli słonecznych i magnetycznych spada kwadratowo od ich odległości od Słońca. Kiedy
żagiel magnetyczny odczuwa bliskość planet z silnym polem magnetycznym takich jak
Ziemia czy gazowe olbrzymy, może generować większą siłę ciągu przez oddziaływanie z
polem magnetycznym danej planety niż dzięki wiatrowi słonecznemu, więc może to być
bardziej efektywne i opłacalne rozwiązanie, niż użycie do tego celu konwencjonalnych
rozwiązań.
Winda kosmiczna
Proponowana konstrukcja, służąca do wynoszenia obiektów z powierzchni ciała niebieskiego
w przestrzeń kosmiczną. W literaturze nazywana również satelitą na uwięzi, kosmicznym
mostem lub wieżą orbitalną. Istnieje kilka koncepcji działania takiej windy.
Najpopularniejsza zakłada opuszczenie z satelity na orbicie geostacjonarnej liny lub wstęgi,
aż do powierzchni ciała niebieskiego. Odpowiednio zaprojektowane pojazdy mogłyby
wspinać się po tej linie, osiągając orbitę znacznie taniej niż przy użyciu rakiet. Budowa takiej
windy na Ziemi wymagałaby jednak liny, która nie zerwałaby się pod własnym ciężarem na
długości 36 tysięcy kilometrów. Żadne współcześnie wytwarzane materiały nie spełniają tego
wymagania. Potencjalnie jednak włókna wykonane z nanorurek węglowych lub olbrzymich
rurek węglowych mogłyby je spełnić, i obecnie trwają intensywne prace nad uzyskaniem
takich włókien. Współczesna technologia umożliwia zbudowanie wind na ciałach o mniejszej
grawitacji, takich jak Mars albo Księżyc.
4
Podstawa
Środek ciężkości windy musi znajdować się na orbicie geostacjonarnej (około 35 786 km nad
równikiem). Punkt zakotwiczenia liny powinien być zatem położony blisko równika, aby
zminimalizować dodatkowe naprężenia. Tam też należy umieścić większość infrastruktury
niezbędnej do obsługiwania windy, w szczególności załadunku i rozładunku pojazdów
wspinających. Projektanci podstawy zasadniczo rozważają dwa jej typy: mobilną i
stacjonarną. Mobilne podstawy na ogół są projektowane jako wielkie pływające konstrukcje.
Stacjonarne podstawy to zwykle budowle umieszczone na dużych wysokościach nad
poziomem morza.
Przewagą konstrukcji pływających jest ich zdolność do unikania największych burz i
huraganów. Ponadto dają większą swobodę w wyborze miejsca dla windy. Z drugiej strony
konstrukcje naziemne mają łatwiejszy dostęp do materiałów i energii oraz wymagają nieco
krótszej liny. Różnica długości jest co prawda minimalna (na ogół nie więcej niż kilka
kilometrów), ale wpływa na wymagania wytrzymałościowe dla liny. W bardziej ambitnej
wersji windy naziemna konstrukcja byłaby wystarczająco wysoka, żeby osłonić windę przed
warunkami atmosferycznymi.
Lina
Lina łącząca satelitę z podstawą musi zostać wykonana z materiału o gigantycznej
wytrzymałości na rozciąganie i możliwie małej gęstości. Aby zrównoważyć naprężenia,
grubość liny powinna powoli rosnąć wraz z wysokością i osiągać maksimum na wysokości
orbity geostacjonarnej. Aby koszty całej windy były akceptowalne, grubość nie może
wzrosnąć zbyt wiele razy. Oznacza to, że potrzebny jest tani i lekki materiał o wytrzymałości
na rozciąganie rzędu 30-50 MN·m/kg, co oznaczałoby konieczność wzrostu średnicy 2-3
krotnie. Dla współczynnika wynoszącego 10 MN·m/kg potrzebne byłoby już
kilkunastokrotne zwiększenie średnicy.
Dla porównania: dla najlepszej stali współczynnik ten wynosi poniżej 1 MN·m/kg, dla
Kevlaru do 2 MN·m/kg, natomiast dla włókna wykonanego z czystego diamentu wyniósłby
około 6-8 MN·m/kg.
Nanorurki węglowe są obecnie jednymi z najwytrzymalszych znanych materiałów i
teoretycznie mogłyby spełnić stawiane tu wymagania. W obecnej chwili nie ma jednak
jeszcze technologii wytwarzania ich w wystarczająco dużych ilościach i w żądanej postaci.
Teoretyczne obliczenia wskazują na możliwość osiągnięcia powyżej 100 MN·m/kg, a
najwyższy do tej pory zmierzony wynik to 63 GPa[3], co w połączeniu z niewielką gęstością
oznacza około 40 MN·m/kg. Obecnie prowadzone są intensywne badania nad uzyskiwaniem
dłuższych i czystszych nanorurek, oraz nad łączeniem ich w wytrzymałe włókna.
Wśród znanych obecnie materiałów największy iloraz wytrzymałości na rozciąganie przez
gęstość mają olbrzymie rurki węglowe – rzędu 60 MN·m/kg[7]. Spełniają one wymagania do
stworzenia windy kosmicznej, pod warunkiem że udałoby się wyprodukować wystarczająco
długie włókna zachowując ich własności.
5
Przeciwwaga
Są dwie główne metody uzyskania środka ciężkości windy na orbicie geostacjonarnej:
przyholowanie na orbitę, nieco powyżej geostacjonarnej, dużego obiektu (np. asteroidy) i
przymocowanie windy do niego, lub rozciągnięcie liny daleko poza tę orbitę. Druga
możliwość wymaga znacznie więcej liny (144 000 km), ale jest też znacznie prostsza w
realizacji. Dodatkowo daje możliwość użycia liny do wystrzeliwania pojazdów na odległe
misje kosmiczne. Kontynuując wspinaczkę powyżej orbity geostacjonarnej, na przeciwległym
końcu liny pojazdy opuszczałyby windę z prędkością pozwalającą na osiągnięcie orbity
Saturna (a przy użyciu asysty grawitacyjnej nawet dalszych planet).
Jedno rozwiązanie nie wyklucza drugiego. Im dalej od orbity geostacjonarnej jest masa, tym
mniej jej potrzeba. Do masy umieszczonej na orbicie można później dołączyć linę
rozciągniętą w przeciwnym kierunku, która w takiej sytuacji mogłaby nawet być dłuższa i
umożliwiać nadawanie pojazdom większych prędkości.
Działanie wind
Ładunek wjeżdżający windą nabierałby nie tylko wysokości, ale również prędkości w
poziomie, proporcjonalnej do odległości od środka Ziemi. Tym samym uzyskiwałby moment
pędu, zabierając go Ziemi. Wciągając się po linie, pojazd ciągnąłby ją dodatkowo lekko w
kierunku zachodnim (przeciwnie do jej ruchu obrotowego). Przy prędkości 200 km/h
oznaczałoby to odchylenie dolnej partii liny o około 1 stopień od pionu. Naprężona lina
ciągnęłaby pojazd na wschód, przenosząc tę siłę na podstawę, ciągnąc ją na zachód.
Odwrotne siły działałyby przy zjeżdżaniu ładunku z orbity. W obu przypadkach naciąg liny
wywołany siłą odśrodkową działającą na przeciwwagę przeciwdziałałby odchyleniu windy od
pionu.
Powyżej orbity geostacjonarnej ładunek byłby wypychany w górę liny przez samą siłę
odśrodkową. Jeśli rozpędzałby się swobodnie do końca przeciwwagi, przekazany mu przez
ten czas moment pędu przełożyłby się na prędkość pozwalającą opuścić pole grawitacyjne
Ziemi i dolecieć aż do Saturna. Aby uzyskiwać jeszcze większe prędkości, można
zaprojektować dłuższą przeciwwagę (np. z cieńszej liny). Należałoby przy tym jednak
uwzględnić obecność Księżyca i jego wpływ na windę.
W obrębie atmosfery dochodzą dodatkowe problemy związane z korozją i warunkami
pogodowymi. Korozja może być szczególnie aktywna w termosferze, gdzie występuje tlen
atomowy. Na tym obszarze prawdopodobnie potrzebne będzie dodanie odpowiedniego
pokrycia na włókno, co powiększy proporcjonalnie masę windy. Na mniejszych
wysokościach groźne mogą być burze i huragany. Mobilna podstawa mogłaby umożliwić
unikanie najgroźniejszych z nich. W przypadku podstawy stacjonarnej pozostaje użycie
nieprzewodzącej liny i umożliwienie jej swobodnego obracania się dla zmniejszenia naprężeń
związanych z wiatrem.
6